钻井与完井工程教材第二章井身结构设计

第二章 井身结构设计

井身结构设计是钻井工程的基础设计。它的主要任务是确定套管的下入层次、下入深度、水泥浆返深、水泥环厚度、生产套管尺寸及钻头尺寸。基础设计的质量是关系到油气井能否安全、优质、高速和经济钻达目的层及保护储层防止损害的重要措施。由于地区及钻探目的层的不同，钻井工艺技术水平的高低，国内外各油田井身结构设计变化较大。选择井身结构的客观依据是地层岩性特征、地层压力、地层破裂压力。主观条件是钻头、钻井工艺技术水平等。井身结构设计应满足以下主要原则：

1．能有效地保护储集层；

2．避免产生井漏、井塌、卡钻等井下复杂情况和事故。为安全、优质、高速和经济钻井创造条件；

3．当实际地层压力超过预测值发生溢流时，在一定范围内，具有处理溢流的能力。 本章着重阐明地下各种压力概念及评价方法，井身结构设计原理、方法、步骤及应用。

第一节 地层压力理论及预测方法

地层压力理论和评价技术对天然气及石油勘探开发有着重要意义。钻井工程设计、施工中，地层压力、破裂压力、井眼坍塌压力是合理钻井密度设计；井身结构设计；平衡压力钻井；欠平衡压力钻井及油气井压力控制的基础。

一、几个基本概念

1．静液柱压力

静液柱压力是由液柱自身重量产生的压力，其大小等于液体的密度乘以重力加速度与液柱垂直深度的乘积，即

H P h ρ00981.0= （2-1）

式中：P h ——静液柱压力，MPa ； ρ——液柱密度，g/cm 3； H ——液柱垂直高度，m 。

静液柱压力的大小取决于液柱垂直高度H 和液体密度ρ，钻井工程中，井愈深，静液柱压力越大。

2．压力梯度

指用单位高度（或深度）的液柱压力来表示液柱压力随高度（或深度）的变化。

ρ00981.0==

H

P G h

h （2-2） 式中：G h ——液柱压力梯度，MPa/m ； P h ——液柱压力，MPa ； H ——液柱垂直高度，m 。

石油工程中压力梯度也常采用当量密度来表示，即

H

P h

00981.0=

ρ （2-3）

式中：ρ——当量密度梯度，g/cm 3； 3．有效密度

钻井流体在流动或被激励过程中有效地作用在井内的总压力为有效液柱压力，其等效（或当量）密度定义为有效密度。

4．压实理论

指在正常沉积条件下，随着上覆地层压力P 0的增加，泥页岩的孔隙度φ减小，φ的减小量与P 0的增量dP 0及孔隙尺寸有关，即：

0dP C d p φφ-=

gdH dP 00ρ= gdH C d P 0φρφ-=∴

令C P ρ0g =C ，且积分上式

CH

e -=0φφ （2-4）

式中：φ0——地表孔隙度； φ——井深H 时的孔隙度； P 0——上覆地层压力；

C P ——压实校正系数，C P >1。

即正常压实地层、泥页岩孔隙度是井深H 的函数。也就是说正常地层压力段，随着井深H 增加，岩石孔隙度减小。若当随着井深增加，岩石孔隙度增大，则说明该段地层压力异常。压实理论是支持dc 指数，声波时差等地层压力预测技术的理论基础之一。

5．均衡理论

指泥页岩在压实与排泄过程平衡时，相邻沙泥岩层间的地层压力近似相等。均衡理论是支持地层压力预测技术不可缺少的理论基础。

6．上覆地层压力P 0

地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和孔隙中流体的总重量（重力）所产生的压力，即

面积

重力流体重量重力岩石骨架重量)

()(0+=

P

])1[(0009810p H φρρφ+-= （2-5） 式中：P 0——上覆岩层压力，MPa ； H ——地层垂直深度，m ； φ——岩石孔隙度，%；

ρ0——岩石骨架密度，g/cm 3； ρp ——孔隙中流体密度，g/cm 3。

由于沉积压实作用；上覆岩层压力随深度增加而增大。一般沉积岩的平均密度大约为2.3g/cm 3，沉积岩的上覆岩层压力梯度一般为0.226MPa/m 。在实际钻井过程中，以钻台面作为上覆岩层压力的基准面。因此在海上钻井时，从钻台面到海面，海水深度和海底未固结沉积物对上覆岩层压力梯度都有影响，实际上覆岩层压力梯度值远小于0.226MPa/m 。例如，海上井的1524m 深处，上覆岩层压力梯度一般小于0.167MPa/m 。

上覆岩层压力还可用下式计算：

H P b ρ00981.00= （2-6）

式中：P 0——上覆岩层压力，MPa ； b ρ——沉积层平均体积密度，g/cm 3；

H ——沉积层m 。

上覆岩层压力梯度一般分层段计算，密度和岩性接近的层段作为一个沉积层。即 ∑∑∑∑=

=

i

i bi

i

H

H H

P G )

00981.0(010ρ

（2-7）

式中：G 0——上覆岩层压力梯度，MPa/m ； P oi ——第i 层段的上覆岩层压力，MPa/m ； H i ——第i 层段的厚度，m ；

bi ρ——第i 层段的平均体积密度，g/cm 3。

上式计算的是上覆岩层压力梯度的平均值。 测得的体积密度越准确，计算出来的上覆岩层压力梯度也就越准确。如果有密度测井曲线，就能很容易地计算出每一段岩层的平均体积密度。如果没有密度测井曲线，可借助于声波测井曲线计算体积密度，不过，这是迫不得已才使用的方法。还可以使用由岩屑测出的体积密度，但这种方法不太准确，因为岩屑在环空中可能吸水膨胀，使岩石体积密度降低。

在厚岩盐层和高孔隙压力带的一个小范围内，上覆岩层压力梯度可能发生反向变化。高孔隙度的泥岩通常是异常高压层，其体积密度非常小。如果异常高压层足够厚，就可能使总的平均体积密度降低。实际上这些低密度带很薄，所以上覆岩层压力梯度的反向变化一般很小，而且发生在很小的范围内。因而异常高压层的上覆岩层压力仍然增加，但增加的速率减慢。

7．地层压力（地层孔隙压力）P P

地层压力是指岩石孔隙中流体的压力，亦称地层孔隙压力，用P P 表示。在各种沉积物中，正常地层压力等于从地表到地下某处连续地层水的静液压力。其值的大小与沉积环境有关，取决于孔隙内流体的密度。若地层水为淡水，则正常地层压力梯度（G p ）为0.0981MPa/m ，若地层水为盐水，则正常地层压力梯度随含盐量的不同而变化，一般为0.0105MPa/m 。石油钻井中遇到的地层水多数为盐水。

表2-1为不同地层水的正常地层压力梯度值。